聚苯硫醚(PPS)材料有什么独特的优势,使其成为令人瞩目的超级工程塑料?

第一问:PPS材料有什么独特的优势,使其成为令人瞩目的超级工程塑料

PPS是一种高温半结晶热塑性塑料,化学结构具有极高的耐化学性,耐化学性仅次于氟塑料,不溶于200℃以下的所有已知溶剂;它拥有极高的氧指数,不添加阻燃剂也具有固有的UL94 V-0等级的阻燃性;它还有90℃的玻璃转化温度,持续使用温度在230-260℃之间仍然保持高刚性和强度;具备极佳的硬度,并且随着结晶度的提高,硬度越硬;极低的吸湿性能,带来广泛环境条件下出色的尺寸稳定性;高温、多湿、高频下也有优异的电气性能;可制造复杂而高精度的制品。 

第二问:交联型PPS和线型PPS怎么区分,有什么不同?

PPS可分为两大类,一种是以交联型聚合物为基础的PPS,它是在有空气存在的环境下经过热处理的,聚合物以氧气为媒介而形成交联的三维网络构造,因此它在高温下依然可以保持较高的刚性和耐磨性,较小的蠕变特性和应力松弛特性,另外经过热处理后的交联型PPS材料通常呈现出深棕色。

另外一种是以线型聚合物为基础,线型PPS是第二代PPS产品,它制造时没有经过热处理,分子结构呈直链状,因此相对刚性较低,但韧性抗冲击性和拉伸率较好;冷却和固化速度慢;具备较佳的流动性,适合薄壁制品成型,熔接缝强度高;离子型杂质少,可用于要求较高的电子领域及燃料电池部品;另外,由于线型的纯度较高,比交联型吸湿性低,尺寸变化小,电绝缘性能更好;未经过热处理的线型PPS为浅黄色,白色度高,可染色。


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第三问:PPS作为一款耐高温、耐腐蚀、高刚性材料,可以用在哪些领域?

PPS在电子电气领域凭借低吸湿、阻燃、优异的电绝缘性被用于线圈骨架、连接器、开关继电器、电缆接头、半导体封装、5G通信等;在传统燃油车领域可用于发动机周边配件承受高温、轻量且复杂结构、腐蚀性燃料的考验;在新能源电动汽车上用于燃料电池周边、充电桩和电动机绕线组件等;在能源领域由于卓越的机械和电气性能用于电池、辐射屏蔽、结构支撑、叶片、管道衬套等;在石油化工领域借助其良好的抗化学性和耐热性能,被用于管道系统和衬垫;在航空军工领域可用于卫星、电子和通信等需要承受太空和其他极端环境严酷考验的部件;在机械工业领域因为其高强刚度、抗疲劳性和耐磨性,被用于齿轮、轴承及自动化输送设备;在医疗制药领域用于药物输送、医疗设备、手术器械、连接设备等;另外PPS还可使用熔喷和纺粘技术挤出熔融纺丝非织造布,通过挤出成型制造片材、棒材和其他型材。 

第四问:PPS为什么被用于机械部件,它有什么优秀的力学性能?

PPS材料拉伸强度较高,并有优异的弯曲模量,这赋予了材料优异的抗形变能力。作为半结晶性塑料,PPS材料即使处于Tg玻璃化转变温度90℃以上时,强度和刚性会共同有轻微下降,但增强规格的PPS在200℃的高温下依然能保持常温时约80%的强度和弹性率。而且PPS的冲击强度与温度的依存关系较小。

机械部件要承受重复的动力负荷及周期性的应力,这种情况下,重复弯曲疲劳特性是很重要的。从经验来看,PPS材料的疲劳极限应力是在同一环境条件下静止强度的20-25%左右。PPS具备良好的抗蠕变特性和应力缓和特性,这是由PPS的黏弹性导致的。 

第五问:PPS的长期耐热性能能适用于高温制件的要求吗?

PPS由于其高度稳定的化学键,表现出极好的热老化性能。苯环在初始老化过程中会形成碳层,之后,它将保护内层免受氧化。PPS的短期耐温可达260℃,UL746B长期耐热指数在200-240℃左右,在200℃以下耐热劣化性完全不成问题。但是在有氧气的情况下暴露在200℃以上的高温下,会出现物性的低下及变色,在越高温或经过时间越长的情况下,这个现象越明显。 

第六问:为什么PPS材料的耐化学性和耐水解性能这么出色?

不论是在室温环境下还是在高温情况下,PPS对于强酸、强碱、有机溶剂、油脂等广泛的化学品都具有很强的耐化学性。在200℃以下,没有溶剂可以溶解PPS。但是在浓硝酸等酸化性较强的强酸下会有劣化。此外,浓盐酸会降低玻璃纤维和PPS树脂之间的结合性,从而使机械强度下降。

PPS的吸水极低,在多湿的情况下依然很难受到湿度的影响。 

第七问:PPS相对其他工程材料,在电性质上有什么优异的表现?

当对绝缘体上施加交流电压时,绝缘体内部发生的介电损耗大部分会转化为热量,从而引起绝缘体温度的上升。介电损耗是由材料固有的介电强度和介电常数决定的,一般来说,其频率依存性及温度依存性都较高。

PPS是各种热塑性塑料中材料中,介电常数、介电强度较低的一种,而且对频率及温度也比较钝感。无机填充的PPS介电损耗比玻纤强化的要大。这个特性非常有利于作为微波炉和电脑等电子回路高密度小型化的周边材料。另外PPS几乎不吸湿,具备优秀的耐湿绝缘性。但是,PPS的CTI抗电弧性能并不是特别优良,需要依靠加入特殊的无机填料去改善其特性。 

第八问:为什么PPS材料无需添加阻燃剂就有高度难燃的材料?

PPS是高结晶度聚合物,分子链排列紧密,能有效降低热量和氧气的渗透速率,减缓燃烧过程;PPS主链由苯环通过硫醚键(—S—)连接而成,苯环的刚性芳香结构提供了高热稳定性和化学惰性,而硫醚键在高温下可能促进交联反应,形成的致密炭层能够隔绝氧气并阻止可燃气体逸出,从而抑制燃烧蔓延;另外PPS熔点280℃,分解温度超过500℃,这种稳定性使其难以分解,降低了可燃性,并且高温下的PPS倾向于发生碳化而非剧烈分解;并且PPS拥有极高的氧指数 50%左右,远高于空气中氧气浓度(约21%),表现出优异的自熄性。 

第九问:PPS材料流道方向和垂直流道方向的特性差异非常大,这是为什么呢?

由于PPS是一种半结晶性塑料,再加上分子方向的影响,PPS材料的各向异性十分的明显。异向性的程度受到制品厚薄、成型条件、甚至浇口形状等各种因素的影响。受到影响的性能包括强度、弹性率、延伸等,甚至收缩率、线性热膨胀系数等直接影响尺寸的性质,以及热变形温度等。

线型PPS相比交联型PPS有较好的TD垂直流动方向的强度、抗冲击性和延伸率。但是,在Tg以上的高温领域,两种PPS的TD方向的弯曲强度是同等的。 

第十问:为什么PPS被用于电动汽车的电气部件,它具备什么样的优势?

EV电动汽车使用电力驱动马达,这些零件通过比传统汽车高得多的电压和强电流来驱动并控制。并且汽车零件用于非常严酷的环境(例如,-40~150℃、~95%RH),所以使用的塑胶材料在这种环境下要具备高度绝缘特性和耐冲击性、焊接耐热性等。

PPS用于汽车高电压零件,具备很高的耐漏电起痕性能,它的相对漏电起痕指数CTI : 600V。如果水分或盐分渗入高电压零件,产生漏电起痕现象,有可能会导致火灾事故,所以高电压零件的绝缘体需要选择CTI值较高的材料。另外高漏电起痕PPS材料也被用于空调等电器零部件。


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漏电起痕测试


第十一问:PPS防静电材料有什么优势?被用于半导体和机械自动化领域。

通过在PPS材料中添加碳纤维、碳纳米管等材料,可以使绝缘PPS材料具备一定的导电和静电释放特性。而航天军工级别的半导体电路板等部件在生产制备的过程中需要承受严苛的环境,通常为-40-220℃。棋丰塑胶PPS碳纤维防静电材料通过复合改性,具备良好的耐高低温性能,优秀的尺寸稳定性和表面外观,体积电阻可控制在10的6-9次方之间。

在自动化领域,常因为摩擦而产生静电,导致静电吸附现象,干扰流水线的正常运行,使用启富塑胶的PPS碳纤维防静电材料。PPS本身具备优秀的自润滑和耐磨耗性能,通过添加碳纤维可进一步提高材料的硬度,降低磨耗,并能有效的传导电荷,非常适合用于自动化柔性链板、齿轮、滚轴、电路板周转架等的制备。


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PPS碳纤维导电防静电


第十二问:为什么汽车、机器人及其他控制器需要使用PPS电磁屏蔽材料?

随着汽车和机器人电动化的发展,各种零件都需要采取防止电磁噪音干扰的措施。汽车的电子控制单元需要避免电磁和射频的干扰导致汽车出现误操作,而电源和其他电磁发射部件也要避免产生的电磁射频干扰其他部件,这都将会造成巨大的安全隐患。根据法拉第笼的原理,金属对电磁具有较高的屏蔽性,而普通树脂都为绝缘材料,没有电磁波屏蔽性能。PPS是一款半结晶且高硬度的塑胶材料,启富塑胶通过添加导电填料可以使其具备低至10欧姆的体积电阻率,这能使其具备良好的电磁波屏蔽性能,并且较高的机械性能和耐热性能使其完全具备替代金属材料,成为制造汽车三电中的各种屏蔽外壳的材料,并且相对金属具备更低的比重。


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电磁屏蔽PPS电动汽车配件


第十三问:为什么PPS材料可在一定程度上替代铝合金用于散热部件的制造?

由于电能的进一步普及和能源密度的一次次提高,电源和电机散热的需求领域越来越多。电动汽车电池外壳的材料需要高强度、低比重、阻燃好、易散热的材料。PPS材料能在严苛的高低温环境下使用,并具备极高的氧指数,材料比重相对金属更低。而且PPS作为一款半结晶塑料,对有机和无机填料都具有很好的稳定性和相容性,树脂能够吸收高达80%的填料,还能具备一定的强度和良好的流动性,普威复材将石墨烯、陶瓷粉体等高导热填料通过混炼改性添加在线型PPS基材中,使其具备表现亮眼的高导热率。这种导热PPS材料被用于电池外壳、散热片等,相比金属材料具备更低的成本和更高的生产效率。


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导热PPS板材


第十四问:什么是低氯含量PPS材料,它的出现背景及主要应用领域有哪些?

PPS无需使用阻燃剂就可达到UL94V-0的阻燃规格,因此也被用作接插件、开关等电子零部件的材料。而线型PPS因为离子性金属杂质很少,被广泛用作为对电性能要求非常严格的领域及半导体器具等的成型材料。

但是,近年来,智能手机及电脑上对卤素类阻燃剂的材料的限制越来越明显,即使是PPS材料也在追求产品中的含氯量尽量少。常规的PPS合成路径因为使用对二氯苯作为原料, 因此在形成的高分子链的末端残存有氯原子存在以及作为反应副产物的氯化钠也残存于产品中等, 这使得在PPS 产品中含有500-5,000ppm 的氯。即使要达到低氯(900ppm)也会降低生产效率从而使总体成本大幅升高。这需要对聚合技术和工艺进行改良。 

第十五问:传统燃油车为什么常用线型PPS作为发动机周边部件?低燃油膨胀型PPS给您答案。

PPS良好的耐化学腐蚀性和耐水解性能,使其常用于与燃油、机油相关的汽车零部件,与制冷剂、油料相关的家电零件,与热水器、水泵以及水路相关的零件的材料。

虽然PPS是燃油渗透性最低的树脂之一,但是,随着零件的高度精密化,极微量燃油渗入树脂中导致零件发生微小的溶胀都将成为问题。研究表明,燃油通常进入的是非结晶区,而不能渗透进结晶区。因此PPS材料的结晶度越高,对耐燃油溶胀性就越有利,而线型PPS相比交联型PPS具备更高的结晶度,所以结晶度高、非晶区的比例小的线形高分子更适合于制备低燃油溶胀PPS。此外,以结晶度高,燃油溶胀低的线形高分子为基础,通过混料技术调控改良非晶区的分子运动性,可以进一步提升PPS材料的耐燃油溶胀性。 

第十六问:为什么PPS材料注塑成型时,要一再强调模具温度?

PPS成型时的模具温度范围十分广阔,从常温到150℃以上都可以成型。但模具温度的设定对PPS制品的特性有非常大的影响。作为一款结晶性塑料,PPS要充分的结晶化,才能确保其性能得到发挥,所以建议使用120℃以上的高温模具,而最适当的温度范围是130-150℃。模温越高,结晶速率便越高,故能得到较平滑而又光泽的表面。相反,当模具温度低于120℃时,因为制品的结晶化不足而有可能造成低耐热性,表面状态差,差离形性等问题。此外,亦会对其他特性如尺寸稳定性、色调、成型收缩率、机械物性等有所影响。另外,使用低模具温度成型时,请避免使用玻璃转化温度TG附近的温度90±10℃,否则制品在使用过程中,会再次结晶,导致明显的收缩使制品翘曲变形。

此外,模温越高,交联型PPS弯曲强度有下降倾向,相反,线型PPS的强度会更好。但是各种PPS的耐冲击性能会随着模温升高而降低。总之,结晶化程度越高,才能便越硬越脆,这是结晶性树脂的共同性质。总之,PPS材料需要充分结晶才能完全发挥出自身的特性。

模具温度通常使用筒式电加热器或者油温调节。使用油温调节的话,模具内的温度会比较均一,所以效果比较好。为了防止散热,模具跟压板之间用层压酚醛塑料等断热材料。


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第十七问:PPS材料硬度这么高,对注塑机和模具有什么特殊要求?

加工PPS材料的设备料筒和螺杆必须是抗磨损的,并附有防止倒流的开放式射嘴。如果想得到更稳定的成型及更高精密度的成型品,装备抗磨损的截流式射嘴是有效的。

PPS模具建议使用耐腐蚀、耐磨损的优质高合金钢。常用SKD-11,也可用SKD-61、SUS420、SUS440系列不锈钢,这些材料淬火处理后,都会达到洛氏硬度R55以上。当然,能使用R60左右的材料是最好的。由于浇口等部分较容易磨耗,所以使用加油钨碳化物或钛碳化物等耐磨耗材料的可替换方式比较经济。另外,使用离子镀层或陶瓷涂层等表面硬化处理对改善模具的耐久性是有效的。 

第十八问:PPS材料在使用过程中是否可以添加回料?这对物性有影响吗?

PPS在成型时候出现分子量下降,甚至分解的可能性是极低的,因此,流道和注道都可以循环利用。PPS回料的添加比例通常在30%以下。回料的添加会导致弯曲强度、冲击强度的下降,但会使流动性的提高。 

第十九问:PPS制品开模的成型收缩率应该怎么放比较合适?

含填充PPS的成型收缩率,与其他树脂比较时,属于较少的一类。但由于是结晶性树脂,再加上玻璃纤维强化的话,成型收缩率的异向性会较聚碳酸酯等非结晶性树脂为大,根据制品的形状可能会产生翘曲。

另外收缩率及翘曲会受流动性、制品厚薄、模具温度、树脂温度等许多不同的成型条件影响。除最重要的模温之外,制品厚薄也是重要因素。再者,强化材料及填充矿物的种类及多少也有所影响。

纯树脂大概为1.2-1.5%,40%玻纤增强规格大概为0.2-0.8%,65%玻矿纤增强规格为0.2-0.5%左右。 

第二十问:PPS材料的成型流动性怎么样?

通常PPS填充30-70%高比例的强化材料或无机填料。因此,同其他强化材料比,PPS一般拥有较佳的成型流动性。流动性很容易受到射出压力及树脂温度影响,但很少受到模具温度影响。 

第二十一问:PPS材料的模具在设计时,对模具浇口、流道、模具锥度和排气槽有什么特殊要求?

PPS通常使用断面为圆形或梯形的流道,而避免使用半圆形或方形的流道。此外,在流道及注道的两端必须设有冷料井。注道使用标准型号便可,也可使用热流道,但必须正确控制温度,以及选用有充分耐磨损的尖梢。

通常深度在10-50mm的PPS制品需要在每边有约0.5度左右的锥度角。另外,深10mm以下的PPS制品则只需0.25度左右便可成型,深50mm以上的PPS制品就必须有1度左右的锥度角。

另外,PPS模具必须要有排气槽,一般深5-8/1000mm、宽5mm。深过8/1000mm的话,有可能会产生毛边,深度少于5/1000mm,排气作用便有出问题的可能性。另外,不建议使用排气顶针,因为毛边可能会导致阻塞。如果一般的排气槽不足以应付或者需要特别精密的成型时,使用真空排气系统是有效的。 

第二十二问:PPS材料的吸湿性极低,那在PPS成型前是否需要进行预干燥呢?

PPS的吸湿低,但是为了确保成型稳定性及制品的品质。通常建议在120℃下干燥4-6小时,在130℃下干燥3-5小时,在140℃下干燥2-3小时。干燥温度过高或者干燥时间过长,都可能导致色调及流动性的变化。

另外,大多矿物填料具有吸湿性,可以从空气中吸收水分,因此,矿物填充PPS材料更应该进行预干燥。 

第二十三问:PPS作为一款高温材料,成型温度是不是很高,一般的注塑机是否能满足温度需求?

PPS的料筒温度通常设定在300-340℃,料筒温度若比必要温度低的话,会加速螺杆及料筒的磨损,另外,由中央部分开始稍微调低温度,是有可能减轻射嘴漏料的情况。PPS加工时请勿加热至350℃以上。含PTFE的型号适合温度范围为290-320℃,请勿高于330℃。

就算树脂温度在适当的温度范围之内,但是改变料筒温度设定而造成树脂温度改变都会引起物理性质的变化。这些变化的原因有熔融粘度的变化、结晶速度的变化、以及玻璃纤维方向的变化。特别是树脂温度越高,拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、焊接强度等机械强度都有提升的倾向。 

第二十四问:PPS材料注塑时,非常容易产生毛边,这有什么好的方法可以解决吗?

由于PPS的熔融粘度较低,所以较容易产生毛边,毛边对成型压力的依存性特别高,为了令毛边的程度减低,可以把料筒温度提高,尽量把射出压力调低,这样可以改善因局部高压导致的毛边的情况。另外,提高模具温度至130~150℃,避免熔体过早冷却固化,降低充填阻力。还可以采用多段变速,初始高速充填,末端减速以减少冲击。其次,设备的锁模力要适当。 

第二十五问:PPS材料的射出速度和射出压力有没有特殊要求?

为求得到良好的PPS制品外观,建议使用较高的射速。低射速有可能导致成型品翘曲等问题。所以通常要凭成型品外观去判断,一般会把充填时间设定为0.5-1.5秒左右。

PPS成型时填充完成后的保持压力,通常需要50-100MPa。由于保压对毛边的大小有很大的影响,如果没有毛边的话,最好用较低的保持压力。 当要确保制品的精密尺寸时,必须要较高的压力,一般情况下保持压力越高,机械特性会有提升的倾向。 

第二十六问:PPS成型时的螺杆回转数及背压需要怎么设定?

螺杆回转数以40-150rpm为适当,过高的回转数会对玻璃纤维等增强材料造成损伤,并可能导致强度下降。

背压通常为1-2MPa,但是当发生计量不稳定或者欠注时,可适当提高到3-4MPa,另外,背压高,所需要的计量时间便越长。 

第二十七问:PPS材料清机建议用什么材料?

PPS材料清机建议使用吹塑级的PE等高粘度材料去清洁,也可用一般市面上的PP,材料排除后,应当关掉加热器的电源。PPS材料在料筒中的滞留时间一般是300℃在60分钟之内,320℃在30分钟之内,过长的停留时间将会导致材料炭黑。